TWI445036B - Filament discharge of the ion source - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種脈衝離子源及採用該離子源的裝置，例如電漿產生器的領域。
專利文獻US 3,156,842涉及一種氣體離化器，其包括一空心電極，呈旋轉形；一杆形電極，沿著空心電極之軸向定位而且其橫截面比空心電極橫截面小很多；一裝置，可提供氣體至與空心電極分離壓力很低的空間中；以及一裝置，可使電子離開空心電極的末端。
人們也可以參考專利文獻US 3,970,892，US 4,025,818，US 4,642,522，US 4,694,222，US 4,910,435和FR 2 591 035。
在電極呈現於燈絲的末端的情況下，很難達成大尺寸、強且均勻的離子源。實際上，該放電係沿著燈絲形成不均勻地並且係顯得不穩定。燈絲可能局部變得是熾熱的。放電室內壁的內表面能夠顯見到其發射特性的變化。人們可考慮使用多個沿放電室之軸向平行並聯的長燈絲。不過，那種情況下，放電是沿著燈絲非均勻地發生的並且人們也遭遇與燈絲膨脹及振動有關的一些機械方面的困難。如果使用垂直於放電室之軸向所安裝的多個短燈絲，機械裝置就變得更複雜了，尤其是因為存在了大量的氣密性及電絕緣的通道。人們可考慮給於每個燈絲分開供電。會需要多個供電電源，這將使得設備的電氣部分明顯地複雜化了。
此外，重置以形成均勻又穩定的低壓放電所充滿的室係困難。
本發明的特別目的是克服上面提到的現有技術的一些缺點。
特別是，本發明的目的在於提供一種大尺寸、均勻而又穩定的離子源。
燈絲放電之離子源包括：一離子室，配備有內壁並建構成用以容納離子化的氣體；該等燈絲，安裝在離子室中；和一燈絲供電電源。該等燈絲係實質上彼此平行配置並且通過內壁而連接到電源。至少第一燈絲通過第一內壁而連接電源且至少第二燈絲通過與第一內壁相對的第二內壁而連接電源。
本申請人實際上已經瞭解到，藉由離子室之相對側所供電的交叉式燈絲的燈絲電流供電可以大大地減弱氣體離子化所產生磁場的負作用。達到幾百安培的電流產生相當高的磁場，例如在燈絲一釐米的距離的約為千分之幾特斯拉(T)的等級，使得自由電子的迴轉半徑為0.03mm的等級並因此低於平均開放範圍。對於這樣一電子而言，則其不可能為離子化氣體。交叉供電可以降低磁場約10-100的係數。
燈絲可以偶數安裝。燈絲的數目可以等於2,4,6,8或10。在燈絲的數目大於或等於4的情況下，可提供可利用的燈絲，使得一第一燈絲相鄰於複數個第二燈絲，並且一第二燈絲相鄰於複數個第一燈絲。“相鄰”一詞可理解為表示最接近的相鄰。
在安裝四個燈絲的情況下，這些燈絲可具有以按照第一對角線的燈絲及按照另一個對角線的燈絲之橫剖面正方形。四個燈絲也可以佈局成一平面，第一燈絲和第二燈絲是交替的。在安裝六個燈絲的情況下，這些燈絲可為以交替第一燈絲和第二燈絲的六邊形配置、矩形配置或者帶狀平面配置。在安裝入個燈絲的情況下，這些燈絲可以藉由一大於在兩個相鄰燈絲間的空間之空間所分開的兩組四個燈絲中配置成固定間隔的長方形、八邊形、帶狀平面等等。
電源可組態成提供小於每釐米燈絲長度之1安培的電流。促使了不均勻放電。
在一實施方式中，燈絲平行於離子室的軸向。這些燈絲可以平行於離子室的縱軸。穿越電氣氣密壁的數目是很少的。
在一實施方式中，燈絲平行於加速室的軸向。
兩個燈絲間的最小距離可以大於40(最好是50)倍的燈絲直徑。因此得到在操作中每個燈絲的放電之確定獨立性。一燈絲的振動、定位偏差或直線排列偏差會產生圍繞燈絲附近的可忽略之放電燈絲的擾動。該等燈絲的直徑可以是相等的。
離子室的最小內周長可大於一常數、離子室中燈絲的數目、燈絲的直徑及離子室中所存在的氣體之原子量所表示之參數的乘積。離子室的最小內周長可大於100倍的離子室中燈絲的數目、燈絲的直徑及離子室中氣體之原子量之平方根的乘積。因此而改進了放電的均勻性。
在一實施方式中，燈絲包含鎢(例如鎢合金)。這些燈絲可以包含有一種熔點高於2000K的金屬。這些燈絲最好是用以高溫的硬金屬調節物。
在一實施方式中，燈絲的直徑在0.1-0.5mm之間，最好在0.15-0.3mm之間。
在一實施方式中，在離子室中離子化的氣體壓力為0.5-100Pa(帕斯卡)，最好是1-20帕斯卡。
在一實施方式中，離子化的氣體包含氦。
在一實施方式中，離子化的氣體包含氦和質量5%-25%的氖，最好在5-15%之間。改善了放電的空間均勻性。
在一實施方式中，燈絲的數量是由供電電源所提供的總電流所決定的。
在一實施方式中，離子室橫截面周長是由燈絲的直徑、燈絲的數目及離子室中所存在的氣體性質所決定的。
燈絲的供電電源可以是單一的。
在閱讀了對幾種作為非限制性實施例並用附圖加以描述的實施方式詳細說明後，可更佳地理解本發明。
正如圖1所示，離子源1包括：兩個連接室2；一配置在該等連接室2之間的離子室3和一離子提取系統4。該離子提取系統4與利用離子源1的應用有關。離子提取系統4可包括一允許以賦予高速注入電子的加速室或放電室，例如一電子槍。已在相對端所配置之兩個離子室之離子室3通常呈現為加長的形狀。離子提取系統4可以相對於離子室3橫向安裝。
連接室2、離子室3和離子提取系統4形成一氣密性的殼體。該殼體可充滿稀有氣體，特別是氦、氖和/或氬。殼體中的氣體壓力可以在0.5帕斯卡與100帕斯卡之間，較佳的是壓力為1帕斯卡與20帕斯卡之間。
離子室3包括一密封的下部壁5，和兩個與連接室2所共用的端壁6和7。在端壁6和7中設置有通孔8。離子室3包括一與離子提取系統4所共用的上部壁9。離子提取縫隙10設置在壁9中，因此可以使離子室3與離子提取系統4相通。在圖1上看不到的離子室3的前壁和後壁係為氣密的。
連接室2包括氣密的下部壁和上部壁係位於離子室4的下部壁5及上部壁9的延伸處。連接室2的端部係藉由端壁11和12所封閉。形成氣密殼體的該等壁可以不銹鋼或黃銅製成，而且由於相對於離子室3內部的離子化之低內部壓力及物理與化學特性，所以更普遍地任何金屬材料具有所要求的機械強度。如有必要，可在該殼體內壁上覆蓋其他金屬或金屬合金層，例如鋁或鎳層。
離子室3包括複數個彼此平行的燈絲13。這些燈絲13較佳地為偶數。燈絲13係依據離子室3的主要尺寸而延伸。換句話說，燈絲13係平行於離子室3的主軸。燈絲13係安裝離下部壁5及上部壁9有一距離。在兩個相鄰燈絲13之間的距離係小於燈絲13與下部壁5或上部壁9之間的距離。燈絲13係通過離子室3之端壁6和7中所設置的通孔8。因此這些通孔8形成為燈絲13的通道。在通孔8中，一燈絲13保持與形成該等端壁6，7的材料之一距離小於10倍的燈絲直徑。
離子室3可呈圓柱形或環形。在此情況下，燈絲13可以藉由絕緣體以數個有規律分佈的支點來支撐。燈絲可以是多棱角形的。
連接室2包括燈絲13的支承架。更具體地說，一燈絲13在一端部是由一固定絕緣體14所支撐的，例如是以陶瓷為基部的絕緣體係固定在連接室2之端壁11，12的內表面上。基於此目的，在與燈絲13相對的一端，該燈絲13藉由一密封絕緣體15所支撐，此絕緣體藉由所設置的通孔而穿過端壁12，11。絕緣體15可同時確保一交叉電氣、燈絲13的機械支撐以及氣密性的作用。交叉電氣可以使燈絲13電性連接到離子室3及連接室2的外部。此外，有一彈簧16可插入到燈絲13與絕緣體(最好是固定的絕緣體14)之間。該彈簧16安裝在連接室2中。此彈簧16可保證燈絲13的機械張力。
兩個相鄰的燈絲13藉由密封性絕緣體15來支撐，其中一個安裝在端壁11上而另一個安裝在端壁12上。換句話說，燈絲13是交叉供電的。在圖1上所示的實施方式中採用了配置為帶狀平面的四個燈絲13，從下面開始編號為行1及行3的燈絲係連接到穿過端壁11的絕緣體15。編號為行2及行4的燈絲13係由安裝在端壁12中的密封絕緣體15來支撐。行1及行3的燈絲13藉由電纜17連成一體。行2及行4的燈絲13藉由電纜18連成一體。供電電源19可包括一例如單一輸出20的輸出功率。該電源19的輸出20可經由電纜21連接到電纜17並且經由電纜22連接到電纜18，因此確保燈絲13的供電。此供電電源的配置是為了提供每個燈絲13中每釐米燈絲長度小於或等於一安培電流強度的電流。例如呈現為電流環路狀的電流感測器23及24可分別安裝在電纜21及22上，以便測量該等電纜21及22中所通過的和由燈絲13所消耗的電流。電流感測器23及24的輸出端連接到電源19的控制單元以便進行調整。
燈絲的直徑可在0.1-0.5mm之間。本申請人已瞭解到，而0.15-0.3mm之間的直徑特別令人感興趣，例如0.2mm的直徑。兩個燈絲間的最小距離通常係大於40倍(最好是50倍)燈絲的直徑。因此，對於0.2mm的燈絲的直徑而言，兩個燈絲間的最小距離是10mm。燈絲13是用硬金屬或合金製成的，要適合於耐高溫，特別是要耐500-2000K之間的高溫。人們可選擇熔點高於1900K，甚至2000K的金屬合金。燈絲可包含耐高溫金屬，例如鎢合金。
離子室3的內周長大於或等於一常數、離子室3中燈絲13的數量、燈絲13的直徑以及與離子室3中氣體原子量有關的一參數的乘積。作為實例，對於採用四個直徑為0.02cm燈絲的氦離子源而言，該內周長應大於100×0.02cm×4×，這可以藉由3.5cm×3.5cm正方形截面積的離子室來實施或者藉由直徑為4cm的管狀室來實施。當然，在混合氣體的情況下，原子量的表示參數可能是離子室3中各氣體原子量加權平均值的平方根。
在圖1上所示的實施方式中，配至成帶狀平面的燈絲13的數量是四個。作為一種變型例，燈絲13可安排成多個帶狀平面，每一帶狀平面可包括四個燈絲。該等帶狀平面彼此是平行的，並且可以配置相對於另一帶狀平面的一帶狀平面的距離等於分隔開的帶狀平面中兩個燈絲的距離、或者等於比其稍微大一點的距離。在圖2的實施方式中，四個燈絲13係配置成從橫截面觀看是正方形。燈絲的連接和供電是交叉的，在某方面來說，藉由安裝在端壁11中之密封性絕緣體15之被供電的燈絲係位於一對角線上而另外的燈絲13則位於正方形的另一個對角線上。離子室3呈正方形截面。
在圖3上所示的實施方式中，燈絲的佈局與圖2的佈局類似。離子室3呈圓形截面。在那種情況下，離子源1是通常的管狀或環形狀。
在圖4上所示的實施方式中，離子室3的形狀與圖3實施方式的形狀相似。燈絲13的數量是兩個，其中一個連接到由端壁11所支撐的密封性絕緣體15而另一個則連接到利用端壁12所支撐的密封性絕緣體15。燈絲13的供電係來自於離子室3相對的端部。
在圖5上所示的實施方式中，離子室3是矩形剖面。離子室3可具有平行四邊形的普通形狀。離子源1包括六個配置成一個帶狀平面的燈絲。由端壁11供電的燈絲13與藉由端壁12供電的燈絲13是交替的。在有六個燈絲並且又是普通的管狀離子源的情況下，可以設計成六邊形之燈絲佈局。改變一種形式，六個燈絲也可配置成兩個各有三個燈絲的帶狀，每個帶狀都是平面的。
在圖6上所示的實施方式中，離子室3的總體形狀與圖5所示的相似。離子源1包括八個燈絲13，它們被配置成兩組，每組有彼此隔離開的四個燈絲，各組燈絲佈局成如圖3所示的正方形。燈絲13還可以配置成一種有八個燈絲的帶狀平面、兩組各有四個燈絲的帶狀平面或者成為八邊形。
在操作中，起動供電電源19並輸出持續時間(寬度)為
1-10微秒之間的脈衝，並且其峰值電流例如在1-10kV電壓下為100-1000A(安培)之間。放電發生在可形成電極的燈絲13與可形成另一電極的離子室3內壁之間。在氣體中的放電產生離子例如He+
。離子能通過縫隙10並且油離子提取系統4進行處理。
人們擁有一種穩定操作的離子源，可產生均勻的離子流又特別適合於大尺寸的要求、高離子流量的設備。
1‧‧‧離子源
2‧‧‧連接室
3‧‧‧離子室
4‧‧‧離子提取系統
5‧‧‧下部壁
6‧‧‧端壁
7‧‧‧端壁
8‧‧‧通孔
9‧‧‧上部壁
10‧‧‧縫隙
11‧‧‧端壁
12‧‧‧端壁
13‧‧‧燈絲
14‧‧‧絕緣體
15‧‧‧絕緣體
16‧‧‧彈簧
17‧‧‧電纜
18‧‧‧電纜
19‧‧‧供電電源
20‧‧‧輸出
21‧‧‧電纜
22‧‧‧電纜
23‧‧‧電流感測器
24‧‧‧電流感測器
圖1是一離子源的縱剖面的示意圖；以及圖2至6是該等離子源的橫剖面的示意圖。
1‧‧‧離子源
3‧‧‧離子室
2‧‧‧連接室
5‧‧‧下部壁
4‧‧‧離子提取系統
7‧‧‧端壁
6‧‧‧端壁
9‧‧‧上部壁
8‧‧‧通孔
11‧‧‧端壁
10‧‧‧縫隙
13‧‧‧燈絲
12‧‧‧端壁
15‧‧‧絕緣體
14‧‧‧絕緣體
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16‧‧‧彈簧
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22‧‧‧電纜
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Claims (11)
- 一種燈絲放電的離子源(1)，其包括：一離子室(3)，配備有內壁，並且建構成可容納離子化的氣體；安裝在離子室(3)中之燈絲(13)；和一燈絲供電電源(19)，其特徵在於：該等燈絲(13)係實質上彼此平行並且通過該等內壁連接到該電源(19)，至少一第一燈絲係通過一第一內壁而連接到該電源，至少一第二燈絲係通過一與該第一內壁相對的第二內壁而連接到該電源，各該燈絲之一端部係由一密封性絕緣體所支撐，且該等燈絲係以交叉方式供電。
- 如申請專利範圍第1項之離子源，其中，第一燈絲鄰近至少一第二燈絲。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，供電電源(19)的配置是提供每釐米燈絲長度小於1安培的電流。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，燈絲(13)係平行於離子室之軸向和/或加速室之軸向。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，在兩個燈絲之間最小的距離係大於40倍燈絲之直徑，最好是50倍燈絲的直徑。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，離子室(3)的最小內周長係大於一乘積，其為一常數、離子室(3)中燈絲(13)的數量、燈絲(13)的直徑，以及離子室(3)中氣體原子量的表示參數的乘積。
- 如申請專利範圍第6項之離子源，其中，離子室(3)的最小內周長係大於100倍的離子室(3)中燈絲(13)的數量、燈絲(13)的直徑及離子室(3)中氣體原子量之平方根的乘積。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，燈絲(13)包含一熔點高於2000K的金屬。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，燈絲(13)的直徑為0.1-0.5mm之間，較佳地在0.15-0.3mm之間。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，在離子室(3)內要離子化的氣體壓力為0.5-100帕斯卡之間，較佳地在1-20帕斯卡之間。
- 如申請專利範圍第1或2項之離子源，其中，離子化的氣體含有氦和5-25%的氖，較佳地是在5-15%之間的氖。
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